粘弹性材料的动态力学测试分析技术研究进展2021年6月材料开发与应用?77?文章编号:1003—1545(2021)03..0077-04粘弹性材料的动态力学测试分析技术研究进展王兵,张用兵,林新志,陈磊(中国船舶重工集团公司第七-’32研究所,河南洛阳471039)摘要:本文对国内外粘弹性材料动态力学性能表征研究进行了综述,就如何获得声频范围(特别是在静压力条件下)粘弹性材料的动态力学性能参数进行了总结,并对粘弹性材料动态力学性能表征的开展进行了展望.关键词:动态力学性能;高频;粘弹性;激光多普勒振动测试仪中图分类号:0614.411文献标识码:A粘弹性材料在振动噪声治理以及水声工程等方面得到了非常广泛的应用.为了更加合理有效地应用这些材料,准确地获得材料的动态力学性能参数是非常重要的.动态力学性能的测定又称动态力学分析,动态机械分析(dynamicmechanicalanalysis),受迫振动分析(forcedoscil-latorymeasurements),动态机械热分析(DMTA)或者动态热机械分析(dynamicthermomechanicalanalysis)等等.出现不同的称呼主要是因为早期测试仪器是由不同领域的工程师,化学家以及高分子物理学家等创造并加以改良投放到不同的使用用户手中造成的….动态力学分析技术自出现以来,得到了长足的开展,已经成为现代分析技术中非常重要的组成局部.1粘弹性材料动态力学性能测试方法与测试仪器按照振动模式,粘弹性材料力学性能测试方法可分成四大类:①自由衰减振动法;②强迫共振法;③强迫非共振法;④声波传播法.按照形变模式,可分为拉伸,压缩,扭转,剪切(夹芯剪切与平行板剪切),弯曲(包括单悬臂梁,双悬臂梁和三点弯曲,s形弯曲等).表1给出了动态力学试验中常用的振动模式,形变模式和典型的频率范围.测定粘弹性材料动态力学参数可以归结为两类方法引,一类通过测量材料样品的振动响应推算其动态力学性能参数,另一类那么通过对材料声学特性的测量反演得到其动态力学参数.声学测量法通过在自由场或阻抗管,测量样品的声压反射(或透射)系数,计算得到材料的动态力学参数.振动测量主要有质量负载法,振动梁法,动态热机械分析法等几种.质量负载法是给待测材料样品附加一质量负载并鼓励其振动,通过对力和加速度的测量计算材料的复杨氏模量.振动梁法是通过测量在一定边界条件下梁的谐振特性,导出被测材料的弹性模量和损耗因子,这类方法只能测量不连续频率的材料参数,适用于测量较低频段(10Hz一2000Hz)的复弹性模量.动态热机械分析可直接测量低频段范围(一般在0.001Hz～100Hz)材料杨氏模量或剪切模量随温度和频率的变化.表1动态力学试验类型及典型测试频率范围收稿日期:2021—11—03?78’材料开发-7应用2021年6月利用声学特性反演材料动态力学参数也被国内外学者广泛采用卜J.李水等基于材料声传播速度与动态模量的关系,通过测量材料声速来确定它的动态弹性模量,利用宽带参量阵声源作为测量声源信号,结合信号处理技术,可以快速准确测量频率范围20kHz～100kHz水声构件材料的动态剪切模量【l¨.Piquette将材料制作成球形的待测样品,通过测量其散射特性来计算材料的动态模量ll引.在消声水池中由测量的材料平板试样斜向入射声的反射系数和透射系数可以反演材料参数,但低频测量时试验误差较大.近年来,采用激光测振法获得材料的动态力学性能参数的方法受到越来越多的关注l引.Willis采用一种基于材料外表振动测量的材料参数反演法,可对任意形状的材料样品,在连续的频率范围内同时测得复杨氏模量和复剪切模量.该方法同时利用5台独立的非接触式激光干预仪测量材料试样的动态响应,并同时进行有限元数值分析,可测量7～4Occ,0～3.45MPa压力条件下杨氏模量随压力和温度变化数据,并且这种方法可以不用时一温叠加原理对数据进行频率拓展.测试材料动态力学性能的标准较多,GB/T16406—1996(声学声学材料阻尼性能的弯曲共振测试方法?,GB/T18258—2000(阻尼材料阻尼性能测试方法?,GJB981—1990(粘弹阻尼材料强迫非共振型动态测试方法?,ANSIs2.22—1998,ANSIS2.23—1998以及ISO6721—1994等标准提出了测试这些参数的各种方法.粘弹性材料动态力学性能表征测试仪器——动态粘弹谱仪(如法国的Metravib粘弹谱仪,日本的Rheovibron,美国的Dynastat等)是较早用来测量材料动态力学性能的主要仪器.目前市场上测试仪器的型号有美国流变科学公司(现被TA公司收购)的DMTAV动态热机械分析仪,TA公司的DMA2980热机械分析仪,PerkinElmer公司的DMA7e热机械分析仪,O1dB公司的DMA系列等.但由于高频振动难以稳定生成和有效控制,同时在信号检测上也有一定困难,采用振动法测试粘弹性高频动态力学性能技术一直开展较为缓慢.直到最近,01dB公司在高频鼓励信号的生成技术得到了较大的改良,研制出能够在lOkHz频率以下测量材料动态力学性能参数的粘弹仪器VHF104.2粘弹性材料动态力学性能参数频率拓展从表1中不难看出,材料高频范围内的动态力学性能数据可以采用强迫共振以及声波传播等方法获得.但由于声波传播测试影响因素较多,而强迫共振法不能得到频率连续变化的数据,很难准确地描述材料在较宽的温度和频率范围的动态力学性能.拓展粘弹性材料的测试频率一直是一些学者的努力方向[19,2o].为了理论研究和实际应用的方便,常用数学分析方法来模拟预测粘弹性材料的动态力学性能L2卜.利用粘弹性材料的温一频叠加原理,将频率和温度对材料动态力学性能的影响综合考虑,制作主曲线图,预测材料在较宽的温度和频率范围条件下的动态力学性能数据.这种方法早在20世纪70年代已经被美国空军采用,现在已经成为美国国家标准和ISO标准.从宏观唯象的观点出发,对粘弹性材料建立适当的应力一应变本构关系,可用于对其动态力学性能进行建模和预测.常用的有标准线性模型,通用化标准模型,分数导数模型和复模量模型等¨.由于分数导数模型较好地符合粘弹性第24卷第3期王兵等:粘弹性材料的动态力学测试分析技术研究进展’79?材料的动态力学特性,且需要的参数较少,被越来越多的学者所采用.描述聚合物在频域或时域范围的动态机械行为也有很多的模型,其中包括Cole—Cole模型,Davidson—Cole模型,Havriliak—Negami模型,以及Kohlrausch—Williams—Watts(KWW)模型等.Havriliak—Negami模型将复模量(E)和低频端橡胶态平台区模量,高频端玻璃态平台,区模量建立联系引:E〞*(1)式中,∞为圆频率,与损耗峰的宽度有关,r为松弛时间,控制损耗峰的对称性.和卢的值在0和1之间.LynnRogers提出了一种采用多项式复模量模型对粘弹性阻尼材料复模量数据进行处理,结果说明该方法具有高精度和高效率处理数据能力的特点J.3静压力下粘弹性材料动态力学性能参数的获得从上面分析不难看出,粘弹性材料动态力学性能参数测试方法经过长期的开展,已经非常成熟.但目前市场上尚没有出现能够测试静压力下材料动态力学性能的仪器设备.而粘弹性材料的耐静压性能日益受到国内外相关领域研究者的高度关注,获得静压力下材料动态力学性能成为迫切需要解决的问题.随着激光测试技术的日臻成熟,这种愿望成为可能.美国佐治亚理工大学F.M.Guillot在其实验室建立了测试材料随压力和温度变化的复杨氏模量系统.被测样品附在压电陶瓷振动器上并被鼓励,垂直安装在有玻璃窗口的压力容器中.采用激光多普勒振动测试仪检测样品的振动响应.采用这种方法可以获得小于2.07MPa压力下100Hz到5kHz,温度在一2~C到50℃范围内材料的复杨氏模量.F.M.Guillot分别采用了共振法(测量低频段)和波速法(测量较高频段)两种方法获得了静压力下粘弹性材料的动态力学性能参数.Willis对处在一定温度和静水压力下的样品进行鼓励,用激光光束辐射到被测样品上,通过对从样品散射信号的接收和处理而获得材料三维方向上外表运动,结合有限元方法获得材料的复杨氏模量和复剪切模量l1.获得粘弹性材料在静压力条件下的动态力学性能,对于耐压阻尼材料和水声材料的研究很有意义,值得关注.美国加州大学的研究成果显示引,他们已经获得了静压力条件下聚脲的动态力学性能,并建立了相应的模型,用于分析静压力对动态力学性能的影响.4语结本文对粘弹性材料动态力学性能参数的获得方法进行了总结,并针对目前制约耐静水压粘弹性材料研发的声频范围(尤其是静压力条件下)的参数的获得进行了讨论.采用非接触式激光多普勒振动测试仪测试材料的动态力学性能,减少了由于加速度计或电磁传感器附在试样所带来的质量校正,从而也降低了试验误差.在粘弹性材料动态力学性能参数表征方面仍有以下问题值得关注:(1)采用粘弹性材料温频等效原理进行频率拓展时,采用的模型仍需进一步优化;模型参数的物理意义有待进一步研究;拓展频段的有效性需要相关测试手段的检验.(2)粘弹性材料的动态力学性能随静压力变化规律有待更深入的研究,其参数的有效性仍需要其他测试手段和相关理论的佐证.(3)粘弹性材料动态力学性能的高频测试技术和复杂结构件的动态力学性能测试将成为一个重要的开展方向.参考文献:[1]Menard,KPeter.DynamicMechanicalAnalysis:aPracticalIntroduction[M].CRCPress,t999.[2]ISO6721—1:1994(E)[S].Plastics—Determinationofdynamicmechanicalpmperti~一PartI:generalprinciples.[3]过梅丽.高聚物与复合材料的动态力学分析[M].北京:化学工业出版社,2002.[4]王曼.水声吸声覆盖层理论与实验研究[D].哈尔滨工程大学,2004.[5]ReadBE,DeanGD.TheDeterminationofDynamicPmpertiesofPolymersandComposites[M].Wiley,NewYork,1978.[6]李军丰.阻尼材料弹性参数测量系统研究[D].哈尔滨工程大学,2005.?8O?材料开发与应用2021年6月[7]SattingerSS.Directmethodformeasuringthedy一[J].JAcoustSOcAm,2005,117(3):1334～345.namicshearpropertiesofdampiIlgpolymers.Edited[18]CaraccioloR,GasparettoA,GiovagnoniM,Measure.byR.D.CorsaroandL.H.Sporling,SoundandVi—mentoftheisotropicdynamicyoung〞smodulusinabrafio。